一、剩余问题
在整数除法里,一个数同时除以几个数,整数商后,均有剩余;已知各除数及其对应的余数,从而要求出适合条件的这个被除数的问题,叫做剩余问题。
二、两个定理
定理1:几个数相加,如果只有一个加数,不能被数a整除,而其他加数均能被数a整除,那么它们的和,就不能被数a整除。
如:10能被5整除,15能被5整除,但7不能被5整除,所以(10+15+7)不能被5整除。
定理2:两数不能整除,若被除数扩大(或缩小)了几倍,而除数不变,则其余数也同时扩大(或缩小)相同的倍数(余数必小于除数)。
如:22÷7=3……1
(22×4)÷7=12……1×4(=4)
(要余2即 22×2÷7=6……2)
(22×9)÷7=28……1×9-7(=2)
(想余5则22×5÷7=15……5)
三、读解《中国剩余定理》
中国数学史书上记载:
在两千多年前的我国古代算书《孙子算经》中,有这样一个问题及其解法:
今有物不知其数,三三数之剩二;五五数之剩三:七七数之剩二。问物几何?
答曰:23
术曰:“三三数之剩二,置一百四十;五五数之剩三,置六十三;七七数之剩二,置三十。并之,得二百三十三,以二百一十减之即得。”
“术”即解法。书中还介绍了上述问题中余数为一的一般解法:凡三三数之剩一,则置七十;
五五数之剩一,则置二十一;七七数之剩一则置十五;一百六以上,以一百零五减之即得。
在明朝程大位著《算术统宗》一书中,把上述问题的基本解法,用诗句概括为:
三人同行七十稀,五树梅花廿一枝,
七子团圆正半月,除百令五便得知。
解法1:依定理译成算式解为:
70×2+21×3+15×2=233
233-105×2=23
这就是享誉中外的《中国剩余定理》。对此古代剩余问题,时至今日另有解法。
解法2:用各除数的“基础数”法解。
基础数的条件:
(1)此数必须符合除数自身的余数条件;
(2)此数必须是其他所有各除数的公倍数。
(一)求各除数的最小公倍数
[3,5,7]=105
(二)求各除数的基础数
(1)[3] 105÷3=35
[35]÷3=11……2
(2)[5] 105 ÷ 5=21
21÷5=4……1(当余3)
∵1×3=3 21×3=[63]
(3)[7] 105 ÷ 7=15
15 ÷ 7=2……1(当余2)
∵1×2=2
∴15×2=[30]
(三)求各基础数的和
35+63+30=128
(四)求基准数(最小的,只有一个)
128-105=23
(五)求适合条件的数X
X=23+105K(K是整数)
(注:此法易行,且具有一般性)
解法3:用枚举筛选法解
按除数3,7同余2,依次逐一枚举;随后用除以5余3,进行筛选,便可获解。
摘录条件
3......2
(基准数) ÷5……3 同余 2
7......2
(一)求3和7的最小公倍数
[3,7] =21
(二)进行枚举筛选
(1)21+2=23 23÷5=4……3
一般地有:X=基准数+各除数的最小公倍数×K(K是整数)
四、剩余问题的解法与应用
例:韩信点兵,有兵一队,若列成五行纵队,则末行一人;若列成六行纵队,则末行五人;若列成七行纵队,则末行四人;若列成十一行纵队,则末行十人,求兵数至少有多少人?
用基础数法解:
5......l
基准数(2111)÷6……5
7......4
11......10
(一)求各除数的最小公倍数
[5, 6, 7, 11]=2310
(二)求各除数的基础数
(l)[5] 2310÷5=462
462÷5=92……2
∵2×3-5=1
∴462×3=[1386]
(2)[6] 2310÷6=385
385÷6=64……1
∵ 1×5=5
∴385×5=[1925]
(3)[7] 2310÷7=330
330÷7=47……1
∵1×4=4
∴330×4=[1320]
(4)[11] 2310÷11=210
210÷11=19……1
∵1×10=10
∴210×10=[2100]
(三)求各基础数的和
1386+1925+1320+2100=6731
(四)求最小的基准数
6731-2310×2=2111(人)
(五)求最适合条件的数X
X=2111+2310K(K为整数)
答:这队兵至少有2111人。
注:各除数应两两互质,可确保命题的真实性。
五、推导《3、5、8剩余定理)及启用
题目:一个数除以3余2;除以5余3;除以8则余1。此数最小是多少?
摘录条件 3……2
(基准数)(113)÷5……3
秦九韶著作8……1
A、推导定理:只要能确定3、5、8各除数的余数均为1的基础数,便可推导出定理,随后再乘以各对应的余数,即可依此定理解题。
(一)[3、5、8]=120
(二)求各除数的余数均为1的基础数
(1)[3]120÷3=40
[40]÷3=13……1
(2)[5]120÷5=24 24÷5=4……4
∵4×4-5×3=l
∴24×4=[96]
(3)[8]120÷8=15 15÷8=1……7
∵7×7-8×6=1
∴15×7=[105]
由此得出《3、5、8剩余定理》诗曰:
三人同行40多, 五树梅花96朵,
八仙过海105招,除百二十便解惑。
(三)分别乘以各对应的余数再求和而获解
40×2+96×3+105×l=473
(四)求最小的基准数
473-120×3=113
B、启用定理,再解两题
(一) 3……1
(79)÷5……4
8......7
解:40×1+96×4+105×7=1159
1159-120×9=79
(二) 3……2
(11)÷5……1
8......3
解:40×2+96×1+105×3=491
491-120×4=11
C、补充《3、4、5剩余定理》
三人同行40里,四季花开45枝,
五朵金花36浪,除去六十便得知。
3......2
(53)÷4……1
5......3
解:40×2+45×1+36×3=233
233-60×3=53
由此可知,“剩余问题”的“解法定理”,都是可以推得的,都是非常灵验的。
通过对“剩余问题”的研讨,使我们进一步认识了其“解法定理”,提高了解题能力,证明其解题方法可行、实用、有趣和灵活多样。《3、5、8剩余定理》、《3、4、5剩余定理》……《a、b、c剩余定理》等“解法定理”的推导成功,证明对“剩余问题”完全可以运用“定理解题”。
中国剩余定理
数学研究所 李文林 袁向东
在我国古代劳动人民中,长期流传着“隔墙算”、“剪管术”、“秦王暗点兵”等数学游戏。有一首“孙子歌”①,甚至远渡重洋,输入日本:
“三人同行七十稀,五树梅花廿一枝,
七子团圆正半月,除百零五便得知。”
这些饶有趣味的数学游戏,以各种不同形式,介绍世界闻名的“孙子问题”的解法,通俗地反映了中国古代数学一项卓越的成就。
“孙子问题”在现代数论中是一个一次同余问题,它最早出现在我国公元四世纪的数学著作《孙子算经》中。《孙子算经》卷下“物不知数”题说:有物不知其数,三个一数余二,五个一数余三,七个一数又余二,问该物总数几何?显然,这相当于求不定方程组
N=3x+2,N=5y+3,N=7x+2
的正整数解N,或用现代数论符号表示,等价于解下列的一次同余组:
N 2(mod3) 3(mod5) 2(mod7)②
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